自容、互容感測并用 電容式觸控螢?zāi)豢顾源笤?/h1>
[導(dǎo)讀]電容式觸控螢?zāi)环浪δ芸赏蠓M。電容式觸控螢?zāi)灰坏┯龅剿畾饣蛞后w，精準度就會大幅降低。因此，電容式觸控面板與控制器開發(fā)商正協(xié)力合作，結(jié)合自容與互容感測層不同的功能特點，以提升電容式觸控螢?zāi)坏目顾?
電容式觸控螢?zāi)环浪δ芸赏蠓M。電容式觸控螢?zāi)灰坏┯龅剿畾饣蛞后w，精準度就會大幅降低。因此，電容式觸控面板與控制器開發(fā)商正協(xié)力合作，結(jié)合自容與互容感測層不同的功能特點，以提升電容式觸控螢?zāi)坏目顾耘c濕手指追蹤效能。
抗水性/濕手指追蹤功能兩項防水規(guī)范漸受重視
國際標準有許多對防水詳細的定義規(guī)范，其中國際電工協(xié)會(International Electrotechnical Commission, IEC)的IEC-60529標準，就針對防護等級(Ingress Protection, IP)做分級定義，其規(guī)范產(chǎn)品最高等級為IP-67，亦即能承受大量的飛塵(防塵等級為6)，并能浸入水中達1公尺深(防水等級為7)而不受損。
然而，很少有消費性行動裝置能符合這個等級，且IP等級至今亦還沒被廣泛運用在電容式觸控螢?zāi)坏漠a(chǎn)品規(guī)范上。通常觸控螢?zāi)坏姆浪枨?，系建立在使用者?jīng)驗及產(chǎn)品在遇到水氣時的反應(yīng)，而非進行破壞性的測試。盡管防水定義尚未正式標準化，但目前逐漸被業(yè)界廣泛采用的兩項防水規(guī)范，包含抗水性(Water Rejection)及支援濕手指追蹤功能(Wet Finger Tracking)。
抗水性亦即當(dāng)觸控螢?zāi)簧嫌幸后w時，系統(tǒng)能排除假性觸控，且能在移除液體后，完全回復(fù)正常操作功能。例如不小心將咖啡潑灑到手機上，一定不會希望手機因此自動撥出電話或發(fā)送簡訊，甚至在你急于清理手機時，做出任何動作，并期望手機在擦干后，能回復(fù)到以往正常的運作功能?？顾允欠浪畛Ｒ娨埠苤匾臈l件因素，因為液體一定會停留在觸控螢?zāi)槐砻?，而觸控螢?zāi)槐仨氁芑貜?fù)正常且不產(chǎn)生任何假性觸控。然而，抗水性無法支援沾濕的螢?zāi)槐砻嬗|控，這方面就有賴濕手指追蹤功能。
濕手指追蹤功能，能在有水氣的觸控螢?zāi)簧献粉櫴种傅奈恢?。觸控螢?zāi)槐砻嫔系乃畾鈺闺娙萘繙y造成誤差，進而減損觸控的精準度，濕手指追蹤功能則能確保提供一個精準值。在有水氣的情況下，可容許誤差通常為1?2毫米，對于撥打電話或發(fā)送電子郵件等關(guān)鍵功能而言，這樣的誤差足以應(yīng)付操作需求。
液體的特性對抗水性與濕手指追蹤功能非常重要。觸控螢?zāi)槐砻嫔蠒纬傻母鞣N液體特性，其一為水氣凝結(jié)，在高濕度或溫度快速變化的環(huán)境中，觸控螢?zāi)槐砻嫔蠒Y(jié)一層很薄的水氣。其次是水滴，雨滴、汗水或任何種類的液體，滴落在觸控螢?zāi)槐砻嫔稀Ｆ淙潜∷?，大量的水覆蓋在整個觸控螢?zāi)槐砻嫔希纬梢粚雍鼙〉囊后w，如之前提到潑灑出的咖啡就屬這類。
此外，辨識水滴的大小也很重要，小水滴通常指滴落到觸控螢?zāi)缓笾睆綔y量不超過3毫米的大小，而大水滴通常則介于3?18毫米之間。上述的三種液體型態(tài)將會產(chǎn)生不同類型的電容誤差，觸控螢?zāi)豢刂破鞅仨毮芗右砸驊?yīng)。
即便是相同類型的液體，對不支援多點觸控的自容感測(Self-Cap)與支援真正的多點觸控的互容感測(Mutual Cap)也會產(chǎn)生不同的結(jié)果。有些觸控螢?zāi)豢刂破鲿瑫r使用這兩種技術(shù)，來解決因液體導(dǎo)致偵測時產(chǎn)生拒斥假性觸控所衍生的問題。要想了解這些問題，必須先了解電容感測在遇有水氣時所產(chǎn)生的一些基本物理變化。
使用傳導(dǎo)屏蔽觸控螢?zāi)徊浑S水氣起舞
電容感測能運作，是因為人體本身就是導(dǎo)電體，含有雜質(zhì)的水，如自來水或咖啡也是導(dǎo)體，并會使電容測量造成誤差。圖1為一個簡單的自容物理模型，電場線代表電容。
圖1 基本自容物理模型
自容的原理是偵測一個感測器對電路接地端的電容，使用方法是在感測器(TX)套用一個激發(fā)訊號，然后偵測得用多少電荷或電流，才能對含有接收器(RX)的感測器充飽電。在這個模型中，有兩個電流可能會經(jīng)過的回路，其一為透過人體和感測器直接耦合(I2)；其二為從感測器到鄰近感測器之間形成邊際電場耦合(I1)。自容的主要訊號來源為I2，大多來自手指與感測器之間直接的電容耦合(圖1中)。
直接電容耦合可利用平行板電容公式C=E0×Er×A/d推算，其中E0是自由空間的介電系數(shù)，Er是觸控螢?zāi)槐Ｗo層的相對介電系數(shù)，A是手指覆蓋的面積，d是手指與感測器之間的距離，中間隔著觸控螢?zāi)槐Ｗo層材料，圖1的C1與C2分別是行動裝置與人體相對于地面的電容。這些電容通常遠高于直接耦合電容，因此所有這些的電容串聯(lián)會降低直接耦合電容，然而C1通常小到足以降低整體直接電容耦合，尤其是當(dāng)行動裝置完全以電池供電，且沒有連結(jié)充電器的時候。
邊際電場訊號I1在觸控時會增加一些觸控訊號，因為手指會吸收這個訊號，并透過人體傳導(dǎo)到地面(加到I2)。觸控螢?zāi)簧蠜]有被觸碰到的水氣，會對I1產(chǎn)生很大的影響，而這些水氣也是電容式觸控螢?zāi)划a(chǎn)生誤差的主要來源，水氣會增加鄰近感測器之間的邊際電場，進而增加電容。端視觸控螢?zāi)槐Ｗo層的厚度與介電系數(shù)，可能導(dǎo)致足夠的電容變化，如手指輕觸，讓感測電路將它誤判為假性觸控。欲解決這個問題，就得使用傳導(dǎo)屏蔽(有時稱為Guard保護層)(圖2)。
圖2 屏蔽狀態(tài)下的基本自容物理模型
利用復(fù)制的TX來驅(qū)動鄰近感測器，即可消除I1且感測電路不會偵測到任何電容。但若要實際應(yīng)用此解決方案，觸控螢?zāi)豢刂破鞅仨毮軝C動地切換感測接腳，即時在TX、RX及屏蔽之間切換，進而感測到整個觸控螢?zāi)弧Ｔ趥鹘y(tǒng)CapSense按鈕上，屏蔽技術(shù)也能同樣運作。
圖3則是以不同的方式讓讀者了解I1、I2及感測到的電流IRX如何隨觸碰、水氣等因素，以及在有屏蔽與無屏蔽狀態(tài)下產(chǎn)生的各種變化?；ト莸脑硎歉袦y兩個感測器之間的電容(圖4)。
圖3 自容電流在不同狀態(tài)與時間下的變化
圖4 屏蔽狀態(tài)下的基本互容物理模型
此時，TX套用到一個感測器上，而RX則套用到另一個鄰近感測器?；ト莞袦y的物理原理和自容相同，但手指訊號的主要來源是邊際電場而不是直接耦合。手指會吸走電荷，并表現(xiàn)在電流上，而這個電流在正常情況下都是經(jīng)過邊際電場(I1)再透過人體(I2)傳到地面，整體效應(yīng)就是兩個感測器之間的互容減少。觸控螢?zāi)簧蠜]有被手指觸碰到的水氣，也會產(chǎn)生像自容一樣增加邊際電場的強度進而提高電容訊號，并增加流到RX的電流。圖5為另一種互容感測呈現(xiàn)方式。 [!--empirenews.page--]
圖5 互容電流在不同狀態(tài)與時間下的變化
自容/互容感測各有所長兩者兼顧設(shè)計挑戰(zhàn)高
具傳導(dǎo)屏蔽的自容感測，雖然能有較佳的抗水性功能，但卻無法支援真正的多點觸控。從較高層次的觀點來看，互容感測應(yīng)該也適用于抗水性，因為在觸控螢?zāi)槐砻嫔显黾铀畾鈺?dǎo)致與手指觸控相反的磁性改變，但這也意味移除水氣和手指觸控并無差別。
具傳導(dǎo)屏蔽的自容，雖然能在有水氣的情況下運作，但卻無法支援多點觸控效能。相反的，互容能支援多點觸控的效能，但遇到水氣時卻無法正常運作。對抗水性來說，最可靠穩(wěn)定的解決方案就是同時使用互容與自容感測，而要實際應(yīng)用這種解決方案，前提就是觸控螢?zāi)豢刂破鞅仨毮茉赥X、RX及屏蔽之間動態(tài)地切換接腳功能。
然而，結(jié)合自容與互容感測，卻無法對濕手指追蹤功能帶來優(yōu)勢，因為當(dāng)手指觸碰到觸控螢?zāi)簧系乃畾鈺r，水氣就會和手指合為一體成為導(dǎo)體，此時手指會吸走邊際電場電流，并傳導(dǎo)至地面降低電容。
不過在撥打電話時，觸控表面的觸控反應(yīng)狀況，也可能類似當(dāng)大姆指或臉頰貼近整個螢?zāi)粫r的反應(yīng)一樣，得視水氣多寡及水氣在螢?zāi)槐砻娴姆植记闆r決定。若沒有運用特別演算法來處理這個大面積的訊號，觸控螢?zāi)豢刂破骶蜁运畾飧采w面的中心點來進行運算，可能會造成距離的誤差(圖6)。
圖6 濕手指追蹤觸控精準度誤差
盡管可利用訊號中的資訊來改進精準度，但若只想藉電容感測技術(shù)，讓追蹤濕手指的精準度達到和追蹤沒有水氣時正常手指位置的精準度，則較不切實際。
電容式觸控螢?zāi)划a(chǎn)業(yè)尚未對防水做明確定義，雖有一些通用標準，但大多用于破壞性測試，并未涵蓋觸控螢?zāi)?，因而抗水性與濕手指追蹤逐漸受業(yè)界注意；此外，了解水氣對自容與互容所產(chǎn)生的不同影響，智慧觸控螢?zāi)豢刂破骷軜?gòu)加上成熟的智慧財產(chǎn)權(quán)，將可解決當(dāng)前難題。
(本文作者任職于賽普拉斯)
抗水性/濕手指追蹤功能兩項防水規(guī)范漸受重視
國際標準有許多對防水詳細的定義規(guī)范，其中國際電工協(xié)會(International Electrotechnical Commission, IEC)的IEC-60529標準，就針對防護等級(Ingress Protection, IP)做分級定義，其規(guī)范產(chǎn)品最高等級為IP-67，亦即能承受大量的飛塵(防塵等級為6)，并能浸入水中達1公尺深(防水等級為7)而不受損。
然而，很少有消費性行動裝置能符合這個等級，且IP等級至今亦還沒被廣泛運用在電容式觸控螢?zāi)坏漠a(chǎn)品規(guī)范上。通常觸控螢?zāi)坏姆浪枨?，系建立在使用者?jīng)驗及產(chǎn)品在遇到水氣時的反應(yīng)，而非進行破壞性的測試。盡管防水定義尚未正式標準化，但目前逐漸被業(yè)界廣泛采用的兩項防水規(guī)范，包含抗水性(Water Rejection)及支援濕手指追蹤功能(Wet Finger Tracking)。
抗水性亦即當(dāng)觸控螢?zāi)簧嫌幸后w時，系統(tǒng)能排除假性觸控，且能在移除液體后，完全回復(fù)正常操作功能。例如不小心將咖啡潑灑到手機上，一定不會希望手機因此自動撥出電話或發(fā)送簡訊，甚至在你急于清理手機時，做出任何動作，并期望手機在擦干后，能回復(fù)到以往正常的運作功能?？顾允欠浪畛Ｒ娨埠苤匾臈l件因素，因為液體一定會停留在觸控螢?zāi)槐砻?，而觸控螢?zāi)槐仨氁芑貜?fù)正常且不產(chǎn)生任何假性觸控。然而，抗水性無法支援沾濕的螢?zāi)槐砻嬗|控，這方面就有賴濕手指追蹤功能。
濕手指追蹤功能，能在有水氣的觸控螢?zāi)簧献粉櫴种傅奈恢?。觸控螢?zāi)槐砻嫔系乃畾鈺闺娙萘繙y造成誤差，進而減損觸控的精準度，濕手指追蹤功能則能確保提供一個精準值。在有水氣的情況下，可容許誤差通常為1?2毫米，對于撥打電話或發(fā)送電子郵件等關(guān)鍵功能而言，這樣的誤差足以應(yīng)付操作需求。
液體的特性對抗水性與濕手指追蹤功能非常重要。觸控螢?zāi)槐砻嫔蠒纬傻母鞣N液體特性，其一為水氣凝結(jié)，在高濕度或溫度快速變化的環(huán)境中，觸控螢?zāi)槐砻嫔蠒Y(jié)一層很薄的水氣。其次是水滴，雨滴、汗水或任何種類的液體，滴落在觸控螢?zāi)槐砻嫔稀Ｆ淙潜∷?，大量的水覆蓋在整個觸控螢?zāi)槐砻嫔希纬梢粚雍鼙〉囊后w，如之前提到潑灑出的咖啡就屬這類。
此外，辨識水滴的大小也很重要，小水滴通常指滴落到觸控螢?zāi)缓笾睆綔y量不超過3毫米的大小，而大水滴通常則介于3?18毫米之間。上述的三種液體型態(tài)將會產(chǎn)生不同類型的電容誤差，觸控螢?zāi)豢刂破鞅仨毮芗右砸驊?yīng)。
即便是相同類型的液體，對不支援多點觸控的自容感測(Self-Cap)與支援真正的多點觸控的互容感測(Mutual Cap)也會產(chǎn)生不同的結(jié)果。有些觸控螢?zāi)豢刂破鲿瑫r使用這兩種技術(shù)，來解決因液體導(dǎo)致偵測時產(chǎn)生拒斥假性觸控所衍生的問題。要想了解這些問題，必須先了解電容感測在遇有水氣時所產(chǎn)生的一些基本物理變化。
使用傳導(dǎo)屏蔽觸控螢?zāi)徊浑S水氣起舞
電容感測能運作，是因為人體本身就是導(dǎo)電體，含有雜質(zhì)的水，如自來水或咖啡也是導(dǎo)體，并會使電容測量造成誤差。圖1為一個簡單的自容物理模型，電場線代表電容。
圖1 基本自容物理模型
自容的原理是偵測一個感測器對電路接地端的電容，使用方法是在感測器(TX)套用一個激發(fā)訊號，然后偵測得用多少電荷或電流，才能對含有接收器(RX)的感測器充飽電。在這個模型中，有兩個電流可能會經(jīng)過的回路，其一為透過人體和感測器直接耦合(I2)；其二為從感測器到鄰近感測器之間形成邊際電場耦合(I1)。自容的主要訊號來源為I2，大多來自手指與感測器之間直接的電容耦合(圖1中)。
直接電容耦合可利用平行板電容公式C=E0×Er×A/d推算，其中E0是自由空間的介電系數(shù)，Er是觸控螢?zāi)槐Ｗo層的相對介電系數(shù)，A是手指覆蓋的面積，d是手指與感測器之間的距離，中間隔著觸控螢?zāi)槐Ｗo層材料，圖1的C1與C2分別是行動裝置與人體相對于地面的電容。這些電容通常遠高于直接耦合電容，因此所有這些的電容串聯(lián)會降低直接耦合電容，然而C1通常小到足以降低整體直接電容耦合，尤其是當(dāng)行動裝置完全以電池供電，且沒有連結(jié)充電器的時候。
邊際電場訊號I1在觸控時會增加一些觸控訊號，因為手指會吸收這個訊號，并透過人體傳導(dǎo)到地面(加到I2)。觸控螢?zāi)簧蠜]有被觸碰到的水氣，會對I1產(chǎn)生很大的影響，而這些水氣也是電容式觸控螢?zāi)划a(chǎn)生誤差的主要來源，水氣會增加鄰近感測器之間的邊際電場，進而增加電容。端視觸控螢?zāi)槐Ｗo層的厚度與介電系數(shù)，可能導(dǎo)致足夠的電容變化，如手指輕觸，讓感測電路將它誤判為假性觸控。欲解決這個問題，就得使用傳導(dǎo)屏蔽(有時稱為Guard保護層)(圖2)。
圖2 屏蔽狀態(tài)下的基本自容物理模型
利用復(fù)制的TX來驅(qū)動鄰近感測器，即可消除I1且感測電路不會偵測到任何電容。但若要實際應(yīng)用此解決方案，觸控螢?zāi)豢刂破鞅仨毮軝C動地切換感測接腳，即時在TX、RX及屏蔽之間切換，進而感測到整個觸控螢?zāi)弧Ｔ趥鹘y(tǒng)CapSense按鈕上，屏蔽技術(shù)也能同樣運作。
圖3則是以不同的方式讓讀者了解I1、I2及感測到的電流IRX如何隨觸碰、水氣等因素，以及在有屏蔽與無屏蔽狀態(tài)下產(chǎn)生的各種變化?；ト莸脑硎歉袦y兩個感測器之間的電容(圖4)。
圖3 自容電流在不同狀態(tài)與時間下的變化
圖4 屏蔽狀態(tài)下的基本互容物理模型
此時，TX套用到一個感測器上，而RX則套用到另一個鄰近感測器?；ト莞袦y的物理原理和自容相同，但手指訊號的主要來源是邊際電場而不是直接耦合。手指會吸走電荷，并表現(xiàn)在電流上，而這個電流在正常情況下都是經(jīng)過邊際電場(I1)再透過人體(I2)傳到地面，整體效應(yīng)就是兩個感測器之間的互容減少。觸控螢?zāi)簧蠜]有被手指觸碰到的水氣，也會產(chǎn)生像自容一樣增加邊際電場的強度進而提高電容訊號，并增加流到RX的電流。圖5為另一種互容感測呈現(xiàn)方式。 [!--empirenews.page--]
圖5 互容電流在不同狀態(tài)與時間下的變化
自容/互容感測各有所長兩者兼顧設(shè)計挑戰(zhàn)高
具傳導(dǎo)屏蔽的自容感測，雖然能有較佳的抗水性功能，但卻無法支援真正的多點觸控。從較高層次的觀點來看，互容感測應(yīng)該也適用于抗水性，因為在觸控螢?zāi)槐砻嫔显黾铀畾鈺?dǎo)致與手指觸控相反的磁性改變，但這也意味移除水氣和手指觸控并無差別。
具傳導(dǎo)屏蔽的自容，雖然能在有水氣的情況下運作，但卻無法支援多點觸控效能。相反的，互容能支援多點觸控的效能，但遇到水氣時卻無法正常運作。對抗水性來說，最可靠穩(wěn)定的解決方案就是同時使用互容與自容感測，而要實際應(yīng)用這種解決方案，前提就是觸控螢?zāi)豢刂破鞅仨毮茉赥X、RX及屏蔽之間動態(tài)地切換接腳功能。
然而，結(jié)合自容與互容感測，卻無法對濕手指追蹤功能帶來優(yōu)勢，因為當(dāng)手指觸碰到觸控螢?zāi)簧系乃畾鈺r，水氣就會和手指合為一體成為導(dǎo)體，此時手指會吸走邊際電場電流，并傳導(dǎo)至地面降低電容。
不過在撥打電話時，觸控表面的觸控反應(yīng)狀況，也可能類似當(dāng)大姆指或臉頰貼近整個螢?zāi)粫r的反應(yīng)一樣，得視水氣多寡及水氣在螢?zāi)槐砻娴姆植记闆r決定。若沒有運用特別演算法來處理這個大面積的訊號，觸控螢?zāi)豢刂破骶蜁运畾飧采w面的中心點來進行運算，可能會造成距離的誤差(圖6)。
圖6 濕手指追蹤觸控精準度誤差
盡管可利用訊號中的資訊來改進精準度，但若只想藉電容感測技術(shù)，讓追蹤濕手指的精準度達到和追蹤沒有水氣時正常手指位置的精準度，則較不切實際。
電容式觸控螢?zāi)划a(chǎn)業(yè)尚未對防水做明確定義，雖有一些通用標準，但大多用于破壞性測試，并未涵蓋觸控螢?zāi)?，因而抗水性與濕手指追蹤逐漸受業(yè)界注意；此外，了解水氣對自容與互容所產(chǎn)生的不同影響，智慧觸控螢?zāi)豢刂破骷軜?gòu)加上成熟的智慧財產(chǎn)權(quán)，將可解決當(dāng)前難題。
(本文作者任職于賽普拉斯)
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